Les trois moulins à eau de Montjean étaient construits sur le bras de Chalonnes, au-dessus de la Loire. La structure était perpendiculaire à la rive, elle se composait d'une passerelle en bois de 14 m de large reposant sur une arche de 4,30 m. L'arche permettait le passage des bateaux, et la passerelle menait à un passage couvert aux murs en pans de bois et torchis avec une couverture en ardoise, dont le tablier en bois reposait sur quatre piles en maçonnerie. Les trois moulins étaient disposés entre chaque pile protégés par le passage couvert. Le premier moulin, dit Grand-Moulin, était situé entre la première et la deuxième pile à partir de la rive gauche. Le deuxième moulin, dit Petit-Moulin, était situé entre la deuxième et la troisième pile, et le troisième moulin entre la troisième et la quatrième pile (côté rive droite). Ce dernier, le troisième moulin, est déclaré en ruine dès 1693. Sa disparition permit un deuxième passage pour les bateaux d'environ 8 m de large. Une chaussée en pierres et pieux d'environ 0, 60 m au-dessus de l'étiage et de 180 m de long reliait la dernière et 4ème pile de la structure à la rive de l'île de Montjean-Chalonnes. Positionnée en biais, elle faisait office d'entonnoir, fermant par conséquent le passage de la Loire entre les deux rives afin de diriger le débit de l'eau vers les roues des moulins et d'optimiser leur travail. La chaussée fut percée en 1824 afin de fluidifier le parcours de navigation.

D'après un rapport d'un ingénieur de 1849, le Grand-Moulin était en bon état d'exploitation, il se composait de deux paires de meules et d'une bluterie actionnées par une roue à aubes planes de 4 m de diamètre et de 5 m de large. Lorsque le niveau de l'eau était inférieur à 1, 60 m au-dessus de l'étiage, les deux paires de meules pouvaient fonctionner simultanément. Au contraire, lorsque le niveau de l'eau était supérieur, la roue actionnait également la bluterie mais décrite de façon "lente et embarrassée". Au-dessus de 5, 20 m, le moulin ne pouvait pas fonctionner. Toujours d'après le rapport, le Petit-Moulin était en mauvais état d'exploitation, il se composait de deux paires de meules actionnées par une roue à aubes planes de 4 m de diamètre et de 4 m de large. Lorsque l'eau était au-dessus de 4, 50 m de l'étiage, le moulin ne pouvait pas fonctionner. Leur fonctionnement est décrit précisément : "La circonférence de l'extrémité droite de chaque roue était munie d'alluchons s'engrenant sur une lanterne qui entraînait un arbre vertical, dont la hauteur était de 8 m au Petit-Moulin. En haut de cet arbre, à l'intérieur de l'étage, un hérisson animait par l'intermédiaire d'un petit pignon l'axe vertical des meules. Le système de relèvement des cadres supportant les roues, constitué de longues vis en bois, permettait un déplacement vertical de l'ensemble selon la hauteur des eaux, de 3, 60 m au Grand-Moulin et de 2, 90 m au Petit-Moulin." Les moulins et la structure sont détruits en 1854.